Detail předmětu

Biomechanika III

FSI-RBMAk. rok: 2019/2020

Předmět je zaměřen na seznámení se strukturou srdečně cévní soustavy, vlastnostmi jejích prvků a možnými způsoby řešení biomechanických problémů modelováním, především výpočtovým. Podává přehled těchto vlastností a rozbor jejich důležitosti z hlediska řešení různých biomechanických problémů. Podrobněji se zabývá výpočtovým modelováním specifických mechanických vlastností, typických pro měkké tkáně (viskoelasticita, hyperelasticita, anizotropie, fyzikální nelinearita), včetně praktického využívání možností programového systému MKP ANSYS a rozboru jeho omezení při řešení biomechanických problémů. Podává přehled základních reologických vlastností krve. Dále se zabývá umělými náhradami používanými v srdečně cévní chirurgii (umělá srdeční čerpadla, umělé srdeční chlopně, cévní náhrady). Pojednává především o jejich konstrukčních principech, základních požadavcích na biokompatibilitu, možnostech kvantitativního posuzování a zlepšování jejich vlastností, jakož i problematikou jejich životnosti.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky (ÚMTMB)

Výsledky učení předmětu

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 zvládne výpočtové modelování řady materiálových vlastností, které lze uplatnit i u moderních konstrukčních materiálů (neizotropní, nelineárně elastické, viskoelastické, hyperelastické materiály).

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.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

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.

Učební cíle

Podat základní všeobecné informace o vlastnostech prvků srdečně cévní soustavy a podrobně potom 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.

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.

Základní literatura

Fung: Biomechanics. Mechanical properties of living tissues.Springer, 1993. (EN)
Humphrey: Cardiovascular solid mechanics. Cells, Tissues and Organs.Springer, 2002. (EN)

Doporučená literatura

Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika. Vydavatelství ZČU, 1997. (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program M2A-P magisterský navazující

    obor M-MET , 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor M-IMB , 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Osnova

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 a jejich interpretace.
4.Složení a reologické vlastnosti krve, modely chování krve, rychlostní profil nenewtonské kapaliny, Fahraeusův-Lindqvistův efekt.
5. Struktura a složení cévní stěny, mechanické vlastnosti složek, struktura myokardu.
6.Konstitutivní modely měkkých tkání, zbytková napětí v tepnách.
7. Mechanické vlastnosti hladkých svalových buněk a jejich výpočtové modelování.
8. Mechanické ovlivnění sklerotických procesů v tepnách, principy lékařských zákroků.
9. Arteriální stenty, princip funkce, návrh a technologie výroby.
10.Cévní náhrady, členění, vlastnosti, použití. Výroba cévních protéz.
11.Přirozené a umělé srdeční chlopně, principy funkce, přehled výrobků.
12.Podpůrná srdeční čerpadla a totální srdeční náhrady ("umělá srdce").
13.Současné možnosti MKP v modelování srdce a cév.

Cvičení s počítačovou podporou

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Osnova

1.Určování reologických parametrů krve
2.Analytické výpočty napětí v cévní stěně – omezení
3.Nejjednodušší MKP modely stěny tepny
4.Použití multielastického konstitutivního modelu
5.Počítačová simulace základních mechanických zkoušek hyperelastických materiálů
6.Použití hyperelastických konstitutivních modelů pro deformačně napěťovou analýzu stěny tepny
7.Modelování viskoelastického chování materiálu.
8.Viskoelastický model stěny tepny.
9.Ortotropní model stěny tepny.
10.Výpočet zbytkových napětí ve stěně tepny
11.Metoda fiktivní teploty při výpočtu zbytkových napětí
12.Zadání zápočtových projektů
13.Hodnocení zápočtových projektů,test základních znalostí, zápočet.