Detail předmětu

Biological system modelling

FEKT-NMOBAk. rok: 2010/2011

Biologický (medicínský a ekologický) systém, popis vlastností biologického systému. Plánování experimentů s biologickými systémy. Teoretické principy metod používaných při modelování biologických systémů (kompartmentové systémy, deterministický chaos, fraktály, teorie katastrof, celulární systémy). Popis charakteristických konkrétních modelů biologických systémů-modely biologických společenstev, epidemiologické a psychologické modely, modely biochemických procesů, modelování tkáňových struktur, modely zákl. podsystémů organismu.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

4

Garant předmětu

doc. Ing. Radovan Jiřík, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Výsledky učení předmětu

Schopnost analýzy biologických systémů a vytvoření jejich modelů, implementace matematických modelů v prostředí MATLAB a SIMULINK

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Učební cíle

Seznámit posluchače s metodami a algoritmy modelování biologických (medicínských a ekologických) systémů.

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

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

Murray, J.D.:Mathematical Biology,Springer Verlag, Berlin 1989. (EN)
ALLMAN, E.S., RHODES, J.A.: Mathematical Models in Biology: An Introduction. Cambridge University Press, 2004. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-MN magisterský navazující

    obor MN-BEI , 1. ročník, letní semestr, povinný
    obor MN-KAM , 2. ročník, letní semestr, volitelný mimooborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Radovan Jiřík, Ph.D.

Osnova

Základní pojmy z problematiky modelování a simulace. Cíle a důsledky modelování s aplikací v oblasti biologických (medicínských a ekologických) systémů. Obecné schéma postupu při vytváření matematických modelů, jejich implementaci a ověřování, vlastnosti biologických systémů a z nich vyplývající volba přístupů k jejich modelování.
Experiment. Experimenty s biologickými (medicínskými a ekologickými) systémy jako zdroj vstupních dat. Plánování experimentů. Vyhodnocení experimentů.
Spojité modely jednodruhových populací, Malthusova rovnice, logistická rovnice - definice, analýza, m. jednodruhových populací se zpožděním - rovnice Hutchinsonové, možnosti dalších modifikací.
Diskrétní modely jednodruhových populací - Lesliho model, analogy spojitých modelů, deterministický chaos, diskrétní modely se zpožděním.
Modely dvoudruhových populací. Model typu dravec - kořist a jeho analýza, modely s vnitrodruhovou konkurencí, Kolmogorovův model, modely dravec - kořist se zpožděním, modely konkurenčních populací, modely mutualistických populací.
Multikompatmentová analýza - princip, modely biochemických procesů v lidském organismu.
Epidemiologické modely - modely SIR a jejich analýza, modelování problematiky venerických chorob, modely šíření AIDS, modely geografického šíření epidemií.
Diskrétní modely celulární struktury - vazba systémů, celulární automat. Umělý život. Šíření vzruchu živou tkání, modely pohybu mnohačetných populací, obecné poznámky k analýze celulárních automatů.
Fraktály, základní pojmy, principy. Základní fraktálové modely. Morfologické biologické modely, morfologie kardiovaskulárního a respiračního systému.
Teorie katastrof. Základní pojmy, principy. Definice základních typů katastrof. Modely chování a psychických stavů.
Modely subsystémů lidského organismu. Kardiovaskulární systém - modely chování krevního tlaku, model systémového krevního oběhu.
Neurokardiovaskulární systém - model závislosti srdeční frekvence na zátěži, model baroreflexu. Regulace kyselosti v žaludku.
Regulace glukózy v krvi - fyziologický základ, regulace ledvinami, regulace inzulínem, regulace glukagonem

Cvičení na počítači

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Radovan Jiřík, Ph.D.

Osnova

MATLAB a SIMULINK, základní rysy a možnosti.
Spojité modely jednodruhových populací
Diskrétní modely jednodruhových populací, Lesliho model
Diskrétní logistická rovnice a deterministický chaos
Modely dravec a kořist
Epidemiologické modely