Detail předmětu

Biomechanika III - srdečně-cévní

FSI-RBMAk. rok: 2026/2027

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, úspěšné absolvování testu základních teoretických znalostí, na jehož základě probíhá hodnocení studenta.
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)

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. Mechanické vlastnosti buněk a jejich výpočtové modelování.

4. Anatomie a fyziologie srdce, EKG, Starlingův zákon, p-V diagramy.

5. Anatomie, histologie a fyziologie cév. Složení cévní stěny a její mechanické komponenty. 
6.  Uspořádání kolagenních vláken. Charakteristiky proudění v tepnách, průtočné odpory.

7. Složení a reologické vlastnosti krve, rychlostní profily, Fahraeusův-Lindqvistův efekt.
8. Teorie pulzačního proudění, Moens-Kortewegova rovnice, Womersley profily.
9. Mechanické ovlivnění sklerotických procesů v tepnách a principy lékařských zákroků. 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

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Osnova

1.-2.  MKP model živočišné buňky. 
3.-4. MKP model levé srdeční komory.
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.
11.-12. FSI simulace proudění v tepnách
13. Zápočet