Biomechanika III - srdečně-cévní (FSI-RBM)

Akademický rok 2022/2023
Garant: prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Podat základní všeobecné informace o vlastnostech tkání srdečně cévní soustavy a podrobně pojednat o vlivu jejich struktury na mechanické chování. Zvládnout výpočtové modely srdce a cév na úrovni odpovídající současnému stavu vědy a možnostem softwaru. Seznámit se se zákroky a implantáty používanými v srdečně-cévní soustavě a jejich funkčními a 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.
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). Popis mechanických vlastností materiálů v oblasti velkých deformací pomocí hyperelastických konstitutivních modelů včetně anizotropních. Základní vlastnosti Newtonských kapalin (viskozita), teorie lineární viskoelasticity. Základy MKP a znalost práce se systémem ANSYS.
Obsah předmětu (anotace):
Předmět začíná bližším seznámením se strukturou srdečně cévní soustavy, její základní anatomií, fyziologií, histologií a aterosklerózou jako nejčastější patologií. Jsou prezentovány základní reologické vlastnosti krve a konstitutivní modely pro popis jejího nenewtonského chování. Je podán přehled struktury příslušných měkkých tkání a způsobů jejího určování na úrovni buněk a vláken a analyzován dopad struktury tkáně na její mechanické chování a konstitutivní popis. Všechny uvedené poznatky se aplikují ve výpočtových modelech buňky, tepny a srdeční komory, vytvářených v programu ANSYS.
Dále se předmět zabývá technickou podstatou terapeutických zákroků a umělých náhrad používaných v léčbě srdečně cévní soustavy (cévní náhrady, arteriální stenty, umělé srdeční chlopně, umělá srdeční čerpadla). Pojednává především o jejich konstrukčních principech, materiálech, způsobech výroby a základních požadavcích na biokompatibilitu.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Úvod do anatomie, fyziologie a patologie srdečně cévní soustavy je přednášen externistou - erudovaným lékařským odborníkem (Mgr. MUDr. Michaela Vojnová Řebíčková). 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 předmětu, mechanické vlastnosti měkkých biologických tkání a jejich experimentální určování.
2. Základní medicínské informace o srdečně-cévní soustavě.
3. Struktura a činnost myokardu. Anatomie, histologie a fyziologie cév.
4.Struktura a složení cévní stěny, její mechanické komponenty. Složení krve.


5. Fyziologie srdce, Starlingův zákon. Charakteristiky proudění v tepnách.


6. Modely chování krve, rychlostní profil nenewtonské kapaliny, Fahraeusův-Lindqvistův efekt.
7. Mechanické vlastnosti buněk a jejich výpočtové modelování
8. Určování orientace kolagenních vláken, jejich rozptylu a vlnitosti.
9. Mechanické ovlivnění sklerotických procesů v tepnách, principy lékařských zákroků na sklerotických tepnách. Arteriální stenty.


10.Cévní náhrady, členění, vlastnosti, použití. Výroba cévních protéz.


11.Přirozené a umělé srdeční chlopně, principy funkce, přehled produktů.
12.Podpůrná srdeční čerpadla a totální srdeční náhrady ("umělá srdce").
13.Současné možnosti výpočtového modelování srdečně-cévní soustavy.
    Cvičení s počítačovou podporou

1.-2. MKP model levé srdeční komory.
3.-4. MKP tensegritní model živočišné buňky. 
5.-6. MKP model aorty, zbytková napjatost
7.-8. Určování zbytkových napětí v tepně pomocí metody objemového růstu (fiktivní teploty).
9.-10. Experiment - pulzační tok v pružné trubici, orientace kolagenních vláken, konstitutivní modely tepny.
11.-12. FSI simulace proudění v tepnách
13. Zadání zápočtových projektů
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  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- kl 6 Povinný 1 1 Z
N-IMB-P prezenční studium BIO Biomechanika -- kl 6 Povinný 2 2 Z