Biomechanika I - úvod (FSI-RBA)

Akademický rok 2022/2023
Garant: Ing. Petr Marcián, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je získat systémový přehled o bioinženýrských oborech, o struktuře biomechaniky (se zaměřením na biomechaniku člověka), biomateriálového inženýrství a lékařství; získat základní poznatky o anatomii, fyziologii, histologii a patologii; získat přehled o vlastnostech a chování tkání a biomateriálů, používaných na různé druhy implantátů. Cílem je též seznámit se s metodologií řešení základních biomechanických problémů a získat přehled o historii a principech zobrazovacích metod a jejich významu při řešení biomechanických problémů.
Výstupy studia a kompetence:
Posluchač získá orientaci jak v interdisciplinárních bioinženýrských oborech, tak i v biomechanice člověka členěné podle různých kritérií. Získá základní vědomosti z lékařských oborů, nutné pro vzájemnou mezioborovou komunikaci, a znalosti o vlastnostech biomateriálů, které zahrnují jak živé tkáně, tak i materiály implantátů. Posluchač získá také znalosti a dovednosti potřebné k vytvoření výpočtových modelů z dat pořízených na zobrazovacích zařízeních.
Prerekvizity:
Základní poznatky z biologie na úrovni střední školy a poznatky z termodynamiky, hydromechaniky a mechaniky těles na úrovni, přednášené v bakalářském studiu na strojní fakultě. Vhodná je orientace v metodologii modelování, zejména výpočtového, počítačově orientovaného.
Obsah předmětu (anotace):
Jedná se o vstupní předmět specializace Biomechanika, který zavádí terminologii a poskytuje základní znalosti potřebné pro mezioborovou komunikaci s lékaři, konkrétně o struktuře a funkcích buněk, tkání a orgánů, tedy úvod do anatomie, histologie, fyziologie a patologie. V části vyhrazené biomateriálovému inženýrství se předmět zaměřuje především na konstitutivní a pevnostní vlastnosti základních biomechanických materiálů (kolagen, elastin) a na vlastnosti některých materiálů pro implantáty, tedy austenitických ocelí, legovaných slitin, vysokotlakého polyetylénu a keramik. Systémově je pojednáno o modelování v biomechanice a o zobrazovacích metodách v lékařství, jejichž výstupy jsou využívány pro tvorbu výpočtových modelů a ilustraci řešených biomechanických problémů.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek (lékařskou část přednáší lékař), které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí tvorby výpočtových modelů v biomechanice.
Způsob a kritéria hodnocení:
Požadavky na udělení zápočtu: aktivní účast na cvičení, vypracování a obhájení závěrečného projektu. Zkouška: úspěšné zvládnutí testu základních znalostí. Konkrétní podobu zkoušky, typy, počet otázek a podrobnosti hodnocení sdělí přednášející v průběhu semestru.
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. Význam bioinženýrských oborů a jejich struktura. Vymezení a struktura biomechaniky se zaměřením na biomechaniku člověka.
2. Eukaryotická buňka: struktura, funkce a patologie.
3. Struktura lidských tkání.
4. Osteologie a arthrologie
5. Svalově-kosterní soustava – obecná a speciální myologie
6. Kardiovaskulární soustava
7. Nervová soustava
8. Základní vlastnosti materiálů lidského organismu.
9. Vymezení a struktura biomateriálového inženýrství. Biomateriály pro implantáty.
10. Biomechanické objekty, biomechanické problémy, scénář řešení biomechanických problémů.
11. Zobrazovací metody v lékařství, jejich historie, členění a principy.
12. Zobrazovací metody a jejich význam a přínos při řešení biomechanických problémů.
13. Možnosti řešení biomechanických problémů z oblasti svalově-kosterní a srdečně-cévní.
    Cvičení s počítačovou podporou Metody zpracování obrazu, seznámení se s praktickým využitím CT, MRI a mikro-CT dat.
Metody segmentace obrazu – manuální a automatická segmentace.
Tvorba modelu geometrie (ve formě polygonální sítě) z CT/mikro-CT snímků a MRI snímků.
Tvorba objemového modelu geometrie.
Ukázka tvorby výpočtového modelu v programovém prostředí ANSYS.
Výpočtové modely – submodeling. Využití dat ze zobrazovacích metod pro tvorbu modelu materiálu.
Zápočet
Literatura - základní:
1. ČIHÁK, Radomír. Anatomie. Třetí, upravené a doplněné vydání. Ilustroval Ivan HELEKAL, ilustroval Jan KACVINSKÝ, ilustroval Stanislav MACHÁČEK. Praha: Grada, 2016. ISBN 978-80-247-3817-8
2. Valenta a kol.: Biomechanika. Academia Praha, 1985.
3. PETERSON, D. R.; BRONZINO, J. D. Biomechanics: Principles and Applications. Taylor & Francis, 2007-09-25. 357 p. ISBN: 9780849385346.
4. WINKELSTEIN, Beth A. Orthopaedic Biomechanics.První vydání. CRC Press, 2012. ISBN 978-1439860939
5. Odborné články z internetu
Literatura - doporučená:
1. VICECONTI, Marco. Multiscale modeling of the skeletal system. První vydání. Cambridge University Press, 2012. ISBN 0521769507
2. KŘEN, Jiří, Josef ROSENBERG a Přemysl JANÍČEK. Biomechanika. Plzeň: Západočeská univerzita, 1997. ISBN 80-7082-365-8.
3. HOLIBKOVÁ, Alžběta a Stanislav LAICHMAN. Přehled anatomie člověka. 5. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2010. ISBN 978-80-244-2615-0.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 1 1 Z
N-IMB-P prezenční studium BIO Biomechanika -- zá,zk 5 Povinný 2 1 Z