Akademický rok 2020/2021 |
Garant: | prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. | |||
Garantující pracoviště: | ÚMTMB | |||
Jazyk výuky: | čeština | |||
Cíle předmětu: | ||||
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. | ||||
Výstupy studia a kompetence: | ||||
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. | ||||
Obsah předmětu (anotace): | ||||
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. | ||||
Metody vyučování: | ||||
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. | ||||
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. | ||||
Typ (způsob) výuky: | ||||
Přednáška | 13 × 2 hod. | nepovinná | ||
Cvičení s počítačovou podporou | 13 × 1 hod. | povinná | ||
Osnova: | ||||
Přednáška | 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 | 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. |
|||
Literatura - základní: | ||||
1. Ethier, Simmons: Introductory biomechanics. Cambridge University Press, 2007. | ||||
2. Fung: Biomechanics. Mechanical properties of living tissues.Springer, 1993. | ||||
3. Holzapfel G.A., Ogden R.W.: Biomechanics of soft tissue in cardiovascular system. Springer 2003. | ||||
4. Humphrey: Cardiovascular solid mechanics. Cells, Tissues and Organs.Springer, 2002. | ||||
Literatura - doporučená: | ||||
1. HOLIBKOVÁ, Alžběta a Stanislav LAICHMAN. Přehled anatomie člověka. 5. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2010. ISBN 978-80-244-2615-0. | ||||
2. Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika. Vydavatelství ZČU, 1997. | ||||
4. Trojan S. , Schrieber M.: Atlas biologie člověka. Scientia, 2013 |
Zařazení předmětu ve studijních programech: | |||||||||
Program | Forma | Obor | Spec. | Typ ukončení | Kredity | Povinnost | St. | Roč. | Semestr |
M2A-P | prezenční studium | M-IMB Inženýrská mechanika a biomechanika | -- | kl | 5 | Povinně volitelný | 2 | 2 | L |
M2A-P | prezenční studium | M-MET Mechatronika | -- | kl | 5 | Povinně volitelný | 2 | 2 | L |
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta strojního inženýrství
Technická 2896/2,
616 69 Brno
IČ 00216305
DIČ CZ00216305
+420 541 141 111
+420 726 811 111 – GSM O2
+420 604 071 111 – GSM T-mobile