Logo Strona główna   Dokumenty KWMiMKM   Dokumenty i listy   Utwórz   Ustawienia witryny   Pomoc    Przejdź w górę do witryny dydaktyka.polsl.pl

Numeryczne modelowanie układów biologicznych  
 
Opis przedmiotu
Program przedmiotu
Tematyka wykładów i laboratoriów
Warunki zaliczenia
Literatura
Przykłady zastosowań
Sylabusy w formacie PDF
 
 
 
 
 
 
Icon

 

Kierunek: Automatyka i Robotyka
Specjalność: AB3
Semestr: VIII
Punkty ECTS: 3
Odpowiedzialny za przedmiot: dr hab. inż. Antoni John
Prowadzący:
dr hab. inż. Antoni John


Opis przedmiotu

Wykłady mają przybliżyć podstawy teoretyczne numerycznego modelowania układów biologicznych, w szczególności
tkanek kostnych i tkanek miękkich. Krótkie wprowadzenie do metody elementów skończonych. Podstawy teorii sprężystości,
plastyczności i reologii. Podstawowe modele tkanek twardych i miękkich i przykładowe sposoby rozwiązywania zagadnień brzegowych
dla tych modeli. Własności mechaniczne tkanki kostnej. Dobór stałych materiałowych dla wybranych modeli tkanek twardych i miękkich.
Omówienie układu kostnego i mięśniowego w obrębie stawu biodrowego człowieka i przedstawienie sposobu modelowania z
wykorzystaniem metody elementów skończonych.
Laboratoria mają w praktyce przedstawić sposoby numerycznego modelowania tkanek twardych. Sprawdzeniem przyswojenia materiału
będzie samodzielne rozwiązanie zadanego zagadnienia. Ćwiczenia obejmują: modelowanie fragmentów kości miednicy elementami
powłokowymi, analiza naprężeń i przemieszczeń w modelu powłokowym kości miednicy, modelowanie kości długich elementami
bryłowymi, analiza przemieszczeń i naprężeń w modelach kości długich, budowa modelu warstwowego wybranych fragmentów kości
miednicy, analiza numeryczna modelu warstwowego wybranych fragmentów kości miednicy, modelowanie wybranych elementów
układu mięśniowego człowieka.


Program przedmiotu

  • wykład: 15 godzin w semestrze
  • ćwiczenia: 15 godzin w semestrze

Tematyka wykładów i laboratoriów

Omawiane zagadnienia:

  • Krótkie wprowadzenie do metody elementów skończonych.
  • Podstawy teorii sprężystości, plastyczności i reologii. Podstawowe modele tkanek twardych i miękkich i przykładowe sposoby rozwiązywania zagadnień brzegowych dla tych modeli.
  • Własności mechaniczne tkanki kostnej.
  • Dobór stałych materiałowych dla wybranych modeli tkanek twardych i miękkich.
  • Omówienie układu kostnego i mięśniowego w obrębie stawu biodrowego człowieka i przedstawienie sposobu modelowania z wykorzystaniem metody elementów skończonych.

Laboratoria mają w praktyce przedstawić sposoby numerycznego modelowania tkanek twardych. Sprawdzeniem przyswojenia materiału będzie samodzielne rozwiązanie zadanego zagadnienia.

Ćwiczenia obejmują:

  • modelowanie fragmentów kości miednicy elementami powłokowymi,
  • analiza naprężeń i przemieszczeń w modelu powłokowym kości miednicy,
  • modelowanie kości długich elementami bryłowymi,
  • analiza przemieszczeń i naprężeń w modelach kości długich,
  • budowa modelu warstwowego wybranych fragmentów kości miednicy,a
  • naliza numeryczna modelu warstwowego wybranych fragmentów kości miednicy, modelowanie wybranych elementów układu mięśniowego człowieka.

Warunki zaliczenia


Literatura

  • A. Morecki, J. Ekiel, K. Fidelus „Bionika ruchu”
  • Będziński R.: Biomechanika inżynierska. Zagadnienia wybrane.
  • W. Derski „Zarys mechaniki ośrodków ciągłych”
  • J. Ostrowska-Maciejewska „Mechanika ciał odkształcalnych”
  • W. Nowacki „Teoria sprężystości”
  • J. Skrzypek „Plastyczność i pełzanie”
  • Y.C. Fung „Continuum mechanics”
  • Kleiber M. (Ed.): Handbook of Computational Solid Mechanics. Survey and Comparison of Contemporary Method.
  • A. John “Identyfikacja i analiza parametrów geometrycznych i mechanicznych kości miednicznej człowieka”. ZN Pol. Śl., Mechanika z. 147

Przykładowe wyniki badań i analiz komputerowych

Budowa stawu biodrowego
1. Kość miedniczna 2. Więzadło kulszowo-udowe 3. Więzadło biodrowo-udowe 4. Kość udowa

 


Kości miednicy człowieka

 


Mięśnie obręczy kończyny dolnej i mięśnie uda


Hierarchiczna struktura kości
1. Włókna kolagenowe (średnica włókna 0,1 μm)
2. Struktura płytkowa (grubość płytki 10 μm)
3. Pierwotna struktura warstwowa (grubość warstwy 500 μm)
4. Struktura gąbczasta (beleczkowa) Struktura zbita (korowa) (grubość warstwy >1000 μm)

 


Maksymalne naprężenia główne w MPa, Naprężenia zredukowane w MPa


Odkształcenia minimalne, Odkształcenia maksymalne


Przemieszczenia wypadkowe,  Przemieszczenia – składowa pionowa

      
Model numeryczny kości miednicy,  Stanowisko badawcze


Przykładowe pola przemieszczeń przedstawiające kolejno przemieszczenia w kierunku osi X, Y i Z oraz wypadkowe dla preparatu pierwszego


Rozkład grubości części zbitej kości miednicy człowieka gk w [mm] - widok od przodu


Udział kości korowej w przekroju preparatu dla płaszczyzny 35


Schemat budowania modelu numerycznego kości miednicy ze sztuczną panewką

 



Rozkład naprężeń zredukowanych w kości korowej, Model kości miednicznej ze wstawionym klinem dla osteotomii Saltera

 


Skok do początku strony