Biomechanika III (FSI-RBM-A)

Akademický rok 2020/2021

Garant:	prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Garantující pracoviště:	ÚMTMB	všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky:	angličtina
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. Cardiovascular solid mechanics. Cells, Tissues and Organs.Springer, 2002.
2. Biomechanics. Mechanical properties of living tissues.Springer, 1993.
3. Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika
Literatura - doporučená:
1. Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika
2. Valenta a kol.: Biomechanika srdečně cévního systému
3. Čihák R.: Anatomie