Detail předmětu

Biomechanika III - srdečně-cévní

FSI-RBMAk. rok: 2024/2025

Předmět začíná základními medicínskými informacemi o vymezení a částech srdečně-cévní soustavy. Dále se zabývá  zatížením a mechanickými vlastnostmi jejích orgánů a tkání, včetně krve a jejích reologických vlastností. Vlastnosti tkání jsou analyzovány v souvislosti se strukturou, a to přes jejich vrstevnaté a vláknité uspořádání až do úrovně jednotlivé buňky, její struktury a mechanického chování. Předmět dále představuje nejčastější patologie srdečně-cévní soustavy, především aterosklerózu a její ovlivnění mechanickými faktory. Všechny uvedené poznatky se aplikují ve výpočtových modelech izolované buňky, tepny a srdeční komory, vytvářených v programu ANSYS, a to nejen v deformačně napěťových analýzách, ale i simulacích interakce měkkých tkání s kapalinou (krví).

Dále se předmět zabývá technickou podstatou terapeutických zákroků a umělých komponent 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)

Vstupní znalosti

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.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Aktivní účast na cvičeních, vypracování a obhájení závěrečného projektu a úspěšné absolvování testu základních teoretických znalostí.
Účast na cvičení je povinná. Omluvená neúčast se nahrazuje samostatným vypracováním úloh podle pokynů vyučujícího.

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.
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.

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

  • Program C-AKR-P celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu

    specializace CZS , 1 ročník, zimní semestr, volitelný

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. 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

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Jiří Vaverka, Ph.D.
Ing. Jiří Jagoš, Ph.D.

Osnova

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

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz