Detail předmětu

Biomechanika III - srdečně-cévní

FSI-RBMAk. rok: 2021/2022

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.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

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.

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 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.

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

Ethier, Simmons: Introductory biomechanics. Cambridge University Press, 2007. (EN)
Fung: Biomechanics. Mechanical properties of living tissues.Springer, 1993. (EN)
Holzapfel G.A., Ogden R.W.: Biomechanics of soft tissue in cardiovascular system. Springer 2003. (EN)
Humphrey: Cardiovascular solid mechanics. Cells, Tissues and Organs.Springer, 2002. (EN)

Doporučená literatura

HOLIBKOVÁ, Alžběta a Stanislav LAICHMAN. Přehled anatomie člověka. 5. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2010. ISBN 978-80-244-2615-0. (CS)
Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika. Vydavatelství ZČU, 1997. (CS)
Trojan S. , Schrieber M.: Atlas biologie člověka. Scientia, 2013 (CS)

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-IMB-P magisterský navazující

    specializace BIO , 2 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Osnova

1.Úvod, struktura a náplň předmětu, mechanické vlastnosti měkkých biologických tkání a jejich experimentální určování.
2. Základní medicínské informace o srdečně-cévní soustavě.
3. Základy fyziologických procesů v srdci (EKG, Starlingův zákon) a cévách.
4. Složení a reologické vlastnosti krve, modely chování krve, rychlostní profil nenewtonské kapaliny, Fahraeusův-Lindqvistův efekt.
5. Mechanické vlastnosti buněk a jejich výpočtové modelování.
6. Struktura a složení cévní stěny, její mechanické vlastnosti a vlastnosti jejích komponent, poroelastické modely, zbytková napětí v tepnách. Struktura myokardu.
7. Mechanické ovlivnění sklerotických procesů v tepnách, principy lékařských zákroků na sklerotických tepnách.
8. Arteriální stenty, princip funkce, návrh a technologie výroby.
9.Cévní náhrady, členění, vlastnosti, použití. Výroba cévních protéz.
10.Přirozené a umělé srdeční chlopně, principy funkce, přehled produktů.
11.Podpůrná srdeční čerpadla a totální srdeční náhrady ("umělá srdce").
12. Anizotopní konstitutivní modely měkkých tkání, určování orientace kolagenních vláken a hlavních materiálových směrů.
13.Současné možnosti výpočtového modelování srdečně-cévní soustavy.

Cvičení s počítačovou podporou

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Osnova

1.-2. Analytické výpočty napětí v cévní stěně, jejich omezení.
3.-4. Výpočty reologických parametrů krevního oběhu, FSI analýza.
5.-6. MKP tensegritní model živočišné buňky.
7.-8. MKP model levé srdeční komory.
9.-10. MKP model aorty, zbytková napjatost
11.-12. Určování zbytkových napětí v tepně pomocí metody objemového růstu (fiktivní teploty).
13. Zadání zápočtových projektů

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz