Simulace a modelování

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra řídicí techniky

Anotace:

Techniky modelování obecně a v biomedicínském inženýrství. Typy modelů, modely spojitého a diskrétního času, modely lineární a nelineární se soustředěnými parametry. Formalizace a vytvoření modelu, identifikace a verifikace modelu, možnosti použití fuzzy modelů. Elektroakustické a elektromechanické analogie a modely. Modely jednotlivých systémů a soustav v biologii a medicíně, např. modely buněčných a fyziologických regulací. Aplikace modelů při tvorbě umělých orgánů.

Požadavky:

Osnova přednášek:

1. Modely systémů, jejich třídění, formalizace a vytvoření modelu

2. Modely spojitého času lineární a nelineární se soustředěnými parametry, analogie modelů

3. Modely diskrétního času lineární a nelineární se soustředěnými parametry, perioda vzorkování

4. Experimentální určení parametrů modelu, identifikace a verifikace modelu

5. Systémy s rozprostřenými parametry a jejich modely

6. Možnosti použití fuzzy modelů

7. Modely na základě neuronových sítí

8. Modelování chemické kinetiky a farmakokinetiky

9. Modely buněčných regulací

10. Modelování populační dynamiky

11. Modely v neurokybernetice

12. Modely regulace dýchání a baroreflexu

13. Modely regulací glykémie a žaludeční kyselosti

14. Modely kardiovaskulárního systému a závislosti srdeční frekvence na fyzické zátěži

Vaše práce je průběžně hodnocena body. Každý bod může být velmi cenný. Zjistit to až při zkoušce, je už pozdě. Proto pracujte aktivně od prvního týdne nejen na cvičení, ale i na přednáškách.

Podmínkou udělení zápočtu z předmětu je dosažení alespoň minimálního počtu bodů ze semestru a obhajoba simulační studie ve stanoveném termínu alespoň za minimální počet bodů podle následující tabulky. Podmínkou úspěšného hodnocení zkoušky je dosažení alespoň minimálního počtu bodů za celý předmět spolu s dosažením minima z písemné části zkoušky.

Body

Minimum

Domácí úlohy 6 x 3

18

Domácí příprava, aktivita na cvičení 10 x 2 20

Simulační studie (4 body prezentace) 22 10 (minimum)

Ze semestru celkem 60 30 (minimum)

Zkouška písemná - základní znalosti 15 8 (minimum)

Zkouška ústní 25

CELKEM 100 50 (minimum)

Další bonusové body v rámci bodů ze semestru můžete získat za:

1) aktivitu na přednáškách - 6 bodů

2) vypracování studie v angličtině - 4 body

3) náhradní úlohu max. - 4 body

Hodnocení

Podle nařízení rektora používáme evropskou stupnici ECTS. Následující tabulka ukazuje, jak budeme vaše body konvertovat na „známky“ do indexu.

Hodnocení slovně Stupeň

Min. bodů

Číselně

Výborně A 90 1

Velmi dobře B 80 1,5

Dobře C 70 2

Uspokojivě D 60 2,5

Dostatečně E 50 3

Nedostatečně F pod 50 4

Otázky ke zkoušce

1. Vysvětlete pojmy simulace a modelování

2. Blokové schema technologie modelování

3. V čem spočívá proces identifikace modelu

4. V čem spočívá rozdíl mezi matematicko-fyzikálni identifikací a identifikací experimentální

5. Uveďte přehled modelů, jejich stručnou charakteristiku a matematický popis

6. Charakterisujte Matlab - Simulink jako nástroj pro simulace v biomedicínkém inženýrství

7. Experimentální určení parametrů modelu, identifikace a verifikace modelu

8. Princip modelování chemické kinetiky a farmakokinetiky, základní modely

9. Záklední modely buněčných regulací

10. Podstata modelování populační dynamiky (typy modelů)

11. Podstata modelu regulace dýchání (vstupy, výstupy, struktura modelu)

12. Vysvětlete princip modelu baroreflexu (vstupy, výstupy)

13. Model regulace glykémie (vstupy, výstupy, struktura modelu)

14. Model žaludeční kyselosti (vstupy, výstupy, struktura)

15. Model kardiovaskulárního systému (vstupy, výstupy, struktura)

16. Model zavislosti srdeční frekvence na fyzické zátěži (odvození matematického modelu ze simulačního)

17. Model závislosti srdeční frekvence na psychické zátěži (návrh modelu)

18. Modelování biologické zpětné vazby (blokové schéma)

19. Modelování pomocí neuronových sítí (popis neuro-toolboxu)

20. Modelování na bázi fuzzy systémů (popis fuzzy-toolboxu)

21. VYsvětlete princip realtimeoveho toolboxu

Požadavky ke zkoušce

1 Písemně vypracovat odpovědi na 10 jednoduchých základních otázek. Viz tabulka organizace, hodnocení a zakončení předmětu.

2. Bodové hodnocení simulační studie. Viz tabulka organizace, hodnocení a zakončení predmětu.

3. Diskuze nad problematikou simulace a modelování, postřehy a aktivní přínos studenta pro předmět.

Osnova cvičení:

1. Úvod do přístrojového a programového vybavení laboratoře, typy modelů

2. Programové prostředí MATLAB a prostředí numerické simulace blokových schémat SIMULINK

3. Problémově orientované knihovny funkcí Control a System Identification Toolbox MATLABu

4. Programování experimentu v reálném čase - Real Time Toolbox MATLABu, identifikace

5. Příklady elektromechanických a akustických modelů

6. Fuzzy Logic Toolbox MATLABu - příklady modelů

7. Neural Network Toolbox MATLABu - příklady modelů

8. Model funkce ledvin při stabilizaci krevního tlaku

9. Model izometrické kontrakce kosterního svalu

10. Simulace se spojitými a diskrétními modely populační dynamiky

11. Modely neuronu a neuronových sítí, systém GENESIS

12. Modelování plicního, mozkového kompártmentu a ostatních tkání

13. Simulace chování systému člověk - stroj

14. Modelování a simulace stresu, jeho odezvy v psychosomatických veličinách

Podmínky pro udělení zápočtu:

1. 75% účast na cvičení

2. Splnění samostatných úloh postupně zadávaných

3. Vypracování simulační studie (max 10 stránek) a její presentace. Studie bude klasifikována a známka včetně ostatních aktivit na cvičení bude mít 50% váhu ve výsledné známce.

Cíle studia:

Studijní materiály:

1. Horáček, P.: Systémy a modely. Skripta ČVUT, Praha 2000

2. Jang, J.S.R., Sun, C.T., Mizutani E.: Neuro-fuzzy and Soft Computing, 1997. Prentice Hall

3. Biomedical Engineering - Handbook,1995, CRC Press, Inc

4. Biomedical Modeling and Simulation on PC, Springer - Verlag, New York, 1993

5. Eck,V.: Identifikace a modelování. Skripta ČVUT, Praha 1989

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Biomedicínské inženýrství- strukturované studium (povinně volitelný předmět)